中國惡劣風環境下鐵路安全行車研究進展

田紅旗

(1. 軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075；2. 中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙，410075)

中國惡劣風環境下鐵路安全行車研究進展

田紅旗1,2

(1. 軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075；2. 中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙，410075)

介紹我國鐵路惡劣風環境下正在開展的鐵路安全行車方面的研究以及進一步開展的研究，主要包括：風環境下鐵路安全行車綜合研究方法，如數值計算、風洞試驗、在線實車試驗、理論分析等；大風環境下列車空氣動力特性規律，如列車空氣阻力特性、空氣升力特性、空氣橫向動力特性、列車交會空氣壓力波、風—車—路—局域地貌環境耦合列車空氣動力特性等；風環境下列車臨界運行速度，如風特性、空氣動力、機械動力作用下車輛傾覆穩定性、特殊風環境下的列車臨界運行速度；惡劣風環境下鐵路安全行車措施，如實施限速(即對風速－路況－車外型與載重不同組合下的列車安全運行速度限值)或停輪，設計合理的列車外形，設置擋風墻，建立鐵路大風監測預警與行車指揮系統等。

列車空氣動力學；惡劣風環境；鐵路安全行車；研究進展

由于大風的作用，列車周圍流場產生分離，在列車周圍形成一系列渦流，使列車表面壓力發生變化，導致列車空氣動力性能惡化，列車空氣阻力、車輛空氣升力、車輛空氣橫向力、列車交會空氣壓力波等劇增或驟降，并嚴重影響列車的橫向穩定性。對于一些特殊的風環境，如特大橋、高架橋、路堤，列車的繞流流場改變更為突出，當列車通過曲線路段時，空氣橫向力、升力與離心力疊加導致列車翻車的可能性大大增加。對此，國內外學者均進行了系列研究[1?11]。我國青藏、新疆鐵路處于極端惡劣風環境下，常常發生突發性大風自然災害，由于特殊的地形、地貌環境，形成了著名的約150 km蘭新鐵路百里風區、南疆鐵路前100 km風區、青藏鐵路900余km長距風區；沿海鐵路地區常遭受臺風襲擊。極端惡劣風環境危及鐵路運輸安全，不僅導致鐵路行車中斷，使大量旅客滯留、貨物積壓，更嚴重的是造成車毀人亡的重大事故。因此，必須確保惡劣風環境下鐵路運輸安全，并盡可能暢通。為使列車安全通過風區，以保證行車安全和提高運輸效率，我國學者建立了風環境下鐵路安全行車研究方法，研究了大風環境下風—車—路—局域地貌環境耦合空氣動力特性規律以及惡劣風環境下鐵路安全行車措施等。

1 風環境下鐵路安全行車研究方法

目前，我國已建立了風環境下鐵路行車的綜合研究方法，包括：數值計算、風洞試驗、在線實車試驗、理論分析等。

1.1 數值計算

數值計算內容主要有：列車空氣動力特性數值模擬計算，車輛傾覆穩定性計算，列車臨界運行速度及速度限值計算，預警與指揮系統的相關計算。

對于列車空氣動力特性的數值模擬計算問題，運行列車在風環境作用下的流場數值模擬是一個非常復雜的流場計算問題，其復雜性表現在以下幾方面：

(1) 流場中存在湍流附面層分離、具有 3種不同相對運動等問題；

(2) 列車在風環境作用下運行是一個三維流場中復雜形狀物體受力問題；

(3) 列車是 1個大的細長物體，其側向迎風面面積較大，需要選取較大的計算區域；且外部裸露有受電弓、網線、轉向架等復雜細小結構，其計算網格需要很密；

(4) 風環境下橋梁、路堤、路塹對列車的干擾非常復雜；

(5) 存在列車運行與風移動2種形式的運動；(6) 風向在水平面和垂向平面均不確定；

(7) 風速為瞬態的，需要確定瞬態風的速度譜密度函數；

(8) 對于有擋風墻的路段，各種擋風墻對列車的干擾也非常復雜；

(9) 列車周圍的局域地形地貌環境影響。

由于上述情況的復雜性，列車空氣動力特性數值模擬計算模型需要包括列車細部外形、路況外形(道床、橋梁、路堤、路塹等外形)、列車周圍的局域地形地貌環境、列車運動、瞬態風速風向等。

對于電氣化鐵路，還要考慮弓網關系問題。

對于車輛傾覆穩定性計算問題，其計算模型需要考慮風環境下的空氣動力與機械動力的瞬時耦合作用，同時還要考慮路況信息。我國目前已完成的計算內容有：

(1) 大風環境下有、無擋風墻時的列車空氣動力特性計算，包括列車周圍環境流場特性、列車表面分布壓力、列車空氣阻力、車輛空氣升力、車輛空氣橫向力、列車交會空氣壓力波；

(2) 大風環境下擋風墻表面及周圍空氣動力特性計算；

(3) 大風環境下風—車—路(路堤、大橋、擋風墻等)—局域地貌環境耦合空氣動力特性計算；

(4) 風特性與路況耦合的空氣動力、機械動力作用下車輛傾覆穩定計算；

(5) 風力風向—路況(路堤、大橋、曲線、直線、擋風墻等)—列車外型與載重組合下的列車臨界運行速度及速度限值計算；

(6) 封閉式、半封閉式防風明洞空氣動力特性計算；

(7) 大風監測預警與鐵路行車指揮系統成套應用軟件的相關數值計算。

1.2 風洞試驗

風洞試驗主要是為了獲得大風環境下的列車空氣動力特性而進行的試驗。

模擬大風環境的風洞試驗方法主要是將來流沿側偏角β方向吹向列車，模擬列車運行速度、環境風風速和風向的合成作用。通過改變側偏角β，以模擬以下 7 種情況(通常β=0°～90°，步長一般為 5°)。

情況 1：列車速度、環境風速不變，改變環境風向；

情況 2：列車速度、環境風向不變，改變環境風速；

情況 3：環境風速、風向不變，改變列車運行速度；

情況4：列車速度不變，改變環境風風速及風向；

情況 5：環境風速不變，改變列車速度及環境風向；

情況 6：環境風向不變，改變環境風速及列車速度；

情況7：環境風速、風向及列車速度均發生變化。

對于固定地板的風洞試驗方法，由于無法模擬列車與地板間的相對運動，因此，與真實的地面效應相比，固定地板的風洞試驗結果稍有差異。

大型風洞試驗在亞洲最大的航天低速風洞完成，為了滿足長大形狀的列車風洞試驗，研制了專用地板和測力專用天平，研究了測力、測壓等關鍵試驗技術。同時，在國防科技大學截面積為1.0 m×0.8 m的風洞上，研制了多孔均勻吸氣地板，能較均勻地控制地板附面層厚度，用于不同厚度固定地板附面層影響研究。專用試驗也在國內外的其他風洞進行。

對各種客、貨運列車已完成的試驗內容有：列車周圍流場特性、列車表面分布壓力、列車空氣阻力、車輛空氣升力、車輛空氣橫向力、列車交會空氣壓力波、擋風墻表面及周圍空氣動力特性、防風明洞空氣動力特性、大風環境下風—車—路(路堤、橋、擋風墻等)耦合空氣動力特性等。

采用的試驗模型是：列車模型由3節或3節以上車箱組成，已完成的風洞試驗模型縮尺比最大為1：6。

1.3 在線實車試驗

實車試驗是研究大風環境下安全行車問題的重要手段之一，它能真實地反映實際風環境下實際列車在實際線路上的運行情況，并為驗證數值計算和模擬試驗結果提供依據。

對各種客運列車、貨運列車、擋風墻等，已完成的在線實車試驗主要有：

(1) 大風環境下列車空氣動力特性試驗。包括列車周圍環境流場特性、列車表面分布壓力、車輛空氣升力、車輛空氣橫向力、列車交會空氣壓力波、風—車—路(路堤、橋、擋風墻等)—地貌環境耦合空氣動力特性等試驗；

(2) 大風環境下擋風墻表面及周圍空氣動力特性試驗，橋上擋風墻振動性能試驗，擋風墻高度、形狀，對一線、二線安全行車影響試驗；

(3) 機車、客車車窗玻璃承受風載荷試驗；

(4) 貨物列車裝載加固(如篷布或固結繩等柔性加固、集裝箱彈性聯結等)承受風載荷能力試驗；

(5) 大風環境下列車動態偏移量試驗；

(6) 大風環境下車輛傾覆穩定性試驗；

(7) 大風環境下列車運行安全性試驗；

(8) 大風環境下接觸網偏移量試驗。

2 大風環境下列車空氣動力特性規律

大風環境下的列車空氣動力特性[12?20]包括列車空氣阻力特性、車輛空氣升力特性、車輛空氣橫向力特性、列車交會空氣壓力波特性和風—車—路耦合空氣動力特性。

環境風對列車空氣動力特性的影響表現在風力、風向、列車速度的綜合影響。

2.1 列車空氣阻力特性規律

大風可能導致列車空氣阻力迅速增加。為了最大限度地降低列車運行時的能耗，提高牽引動力利用率，開展了大風環境下列車空氣阻力特性研究。研究內容有：環境風速和列車運行速度對列車空氣阻力的影響；風向對列車空氣阻力的影響，包括風向與列車運行方向相同、相反、垂直以及風向角為銳角、風向角由銳角變為鈍角等；列車外形對風環境下的列車空氣阻力影響。

通過研究，得到了風速、風向、列車運行速度與列車空氣阻力之間的一系列關系式，見文獻[1，12]，并得到如下規律：

(1) 列車空氣阻力與環境風速和列車運行速度反向矢量疊加后的合成速度有關。

(2) 順風使列車空氣阻力降低，隨著風速的增大，列車空氣阻力將驟降。當環境風風速大于列車速度時，將產生負的空氣阻力，相當于大風對列車產生非常大的助推力，由環境風推動列車運動；逆風使列車空氣阻力增加，相當于大風對列車產生附加空氣阻力，隨著風速的增大，列車空氣阻力迅速增加。

(3) 列車空氣阻力隨小角度風向角的增加而迅速增大。當風向角達到一定值時，列車運行速度、風速、風向耦合使列車空氣阻力達到最大值，此后，列車空氣阻力不僅不再隨風向角的增加而增大，還有可能隨其增加而降低。

(4) 當風向角在較大角度變化時，列車頭車空氣阻力與風向角呈正弦曲線關系；當風向角為小角度時，中間車、尾車的空氣阻力與風向角或風車速比均呈 3次方關系增加。

(5) 大風環境下列車最大空氣阻力可能為無風時的2倍以上。

2.2 車輛空氣升力特性規律

通過研究，得到了風速、風向、風壓力、列車運行速度與車輛空氣升力之間的如下規律[1]：

(1) 在大風作用下，列車的頭車、中間車和尾車的空氣升力均迅速增大。車輛空氣升力與合成速度相關。

(2) 列車的頭車、中間車和尾車的空氣升力系數隨小角度風向角的增加而呈2次方關系迅速增大。

(3) 當風向角達到一定值時，頭車空氣升力首先達到最大值；當風向角繼續增大時，尾車、中間車的空氣升力分別相繼達到最大值，在頭車、中間車和尾車各自達到最大值后，空氣升力不僅不再隨側偏角的增加而增大，而且有可能隨其增加而有所下降，但仍比無風時大得多。

2.3 車輛空氣橫向力特性規律

通過研究，得到了風速、風向、風壓力、列車運行速度與車輛空氣橫向力之間的如下規律[1]：

(1) 在大風作用下，列車的頭車、中間車和尾車的空氣橫向力均迅速增大。車輛空氣橫向力與合成速度相關。

(2) 列車的頭車、中間車和尾車的空氣橫向力系數隨小角度風向角的增加而呈2次方關系增大。

(3) 當側偏角β＜60°時，頭車、中間車和尾車的空氣橫向力均隨風向角的增加而迅速增大；當側偏角β在70°左右時，頭車空氣橫向力首先達到最大值；β接近90°時，中間車和尾車的空氣橫向力達到最大值。

(4) 在大風作用下，由于車輛側部迎風面的正壓力與背風面的負壓力疊加，使車輛空氣橫向力為風壓力的2～3倍。

2.4 列車交會空氣壓力波特性規律

對于列車交會，由于兩交會列車運行速度不盡相同，并且兩交會列車相向運動，產生的列車風與環境風的耦合將形成復雜的流場。

通過研究，得到大風環境下列車交會空氣壓力波幅值隨風向角或風速的變化規律[1]如下：

(1) 大風環境下列車交會空氣壓力波幅值隨風向角 (0° ≤ ≤360°)增加呈拋物線形式改變。

(2) 當風向角 =0°或 =360°時，風向與列車 2運行方向相反。由于風向與列車1運行方向相同，導致列車1與環境風的相對速度減小，使得列車2上的壓力波幅值減小，其壓力波幅值減小40%左右，約為無環境風時壓力波幅值的0.6倍。

(3) 當風向角 =90°時，橫風從列車 2一側橫向吹過兩交會列車，列車1處于列車2的背風面。由于列車2的交會側處于背風面，使得交會波的負波幅值加大，導致列車2上的交會壓力波幅值增大。其交會壓力波幅值增大20%左右，約為無環境風時壓力波幅值的1.2倍。

(4) 當風向角 =180°時，風向與列車2運行方向相同，使得列車1速度與環境風速度的相對速度增加，造成列車2上的交會壓力波幅值增大40%左右，約為無環境風時的1.4倍。

(5) 當風向角 =270°時，橫風從列車1一側橫向吹過兩交會列車。由于列車2的交會側處于迎風面，使得交會壓力波的正波幅值加大，導致列車2上的交會壓力波幅值增大。其交會壓力波幅值增大 30%左右，約為無環境風時的1.3倍。

(6) 當風向角 為 90°～180°或 180°～270°時，交會壓力波幅值最大，其最大值可能達到無環境風的 1.6倍左右。

(7) 列車交會空氣壓力波幅值隨風速增加而迅速改變，其變化規律因風向角的不同而劇增或驟減。

2.5 風—車—路—局域地貌環境耦合空氣動力特性影響規律

通過研究，得到路堤高度、橋梁高度、路塹深度、海拔高度、局域地貌對車輛空氣動力特性影響規律如下：

(1) 車輛空氣升力、空氣橫向力以及由這 2個力產生的傾覆力矩均隨路堤高度、橋梁高度的增加而迅速增大；隨路塹深度、海拔高度的增加而減小。

(2) 列車周圍的局域地貌會改變大風的流速及流向，產生實時的風力風向突變現象。迎風坡產生加速流，背風坡產生渦流，峽谷區域產生節流。

3 風環境下列車臨界運行速度

影響風環境下列車臨界運行速度的主要因素有：風力、風向產生的空氣動力作用下的車輛傾覆穩定性，客車、機車車窗玻璃承受瞬時風產生的氣動壓力的能力，貨物列車裝載加固(如篷布、固結繩、集裝箱聯結等)承受風產生的附加力的能力，以及風沙流對客車和機車車窗玻璃、列車運行穩定性等的影響。

對于風環境下車輛傾覆穩定性問題，根據建立的風特性與路況耦合的空氣動力、機械動力作用下車輛傾覆穩定計算模型，經進一步計算與分析，得到風速與列車運行速度關系示意圖見圖1。圖1描述了列車在直線上運行、列車在曲線上運行且風從曲線外側吹向內側、列車在曲線上運行且風從曲線內側吹向外側3種情況，每種情況均對應1種列車安全運行區域，3種情況的公共部分(圖 1中的陰影部分)即為列車安全運行區域，其外邊界(除兩坐標軸外的另一邊界)為列車臨界運行速度。對各種工況進行分析得到如下大風環境下列車臨界運行速度規律：

(1) 列車臨界運行速度與車輛外形、車輛質量與載重、車輛動力參數、車輛運行的路況(平道曲線、平道直線、直線或曲線路堤、路塹、直線或曲線橋梁、峽谷橋等)、環境風速及風向、局域環境地貌等的組合相關。

(2) 大風導致的車輛傾覆事故在平道、直線、曲線、路堤、橋梁上均有可能發生，車輛傾覆是各種最不利因素的組合所致。

(3) 從列車外形來說，列車外形(尤其是側壁外形)的流線化程度越好、迎風面積越小，列車臨界運行速度越高。對比各種外形的貨運列車，雙層集裝箱列車的臨界運行速度最低，其次是棚車；罐車的臨界運行速度最高。對于客運列車，各種流線型動車組的臨界運行速度較高。

(4) 車輛質量與載重越大，重心越低，列車臨界運行速度越高。空雙層集裝箱列車、空棚車的臨界運行速度較低。

(5) 從路況來說。列車臨界運行速度隨橋梁、路堤高度的增加而降低，一定的路塹高度可以有效地提高列車臨界運行速度。

對于大風作用下列車車窗玻璃承受氣動壓力的能力、風沙流對列車車窗玻璃和列車運行穩定性影響問題，目前正在研究中。

圖1 風速與列車安全速度關系示意圖Fig.1 Relationship between wind velocity and train’s safety velocity

4 惡劣風環境下鐵路安全行車措施

惡劣風環境下鐵路安全行車措施有：實施限速或停輪、設計合理的列車外形、設置擋風墻，建立大風監測預警系統等。

4.1 實施列車安全運行速度限值

大風環境下列車安全運行速度限值[21?25]是保證列車安全通過風區的重要限制性指標，而上述研究風環境下列車臨界運行速度的目的就是為了提出列車安全運行速度限值。

列車安全運行速度限值的確定需要考慮各種因素的影響，如風環境(風力、風向、列車周圍地貌環境)下的空氣動力性能，路況(橋梁、路堤、路塹、直線、曲線、擋風墻等)，列車外型、車輛載重，車輛動力性能，車窗承受氣動壓力能力，風沙流對列車車窗玻璃和列車運行穩定性的影響等。

大風環境下列車安全運行規范是針對線路區域或列車速度等級制定的，因此，各鐵路線的速度限值標準不同。對各種車輛可以提出通用安全運行速度限值，對某一個高路堤、高橋梁也可制定相應的列車安全運行速度限值。

目前我國的蘭新鐵路、青藏鐵路、客運專線和既有鐵路均已實施了大風環境下的列車安全運行限速。

4.2 設計合理的列車外形

合理的列車外形[26?27]可以降低風環境下的空氣升力、空氣橫向力以及由這2個力產生的傾覆力矩，提高車輛傾覆穩定性。

(1) 對于客運列車，采用流線型列車(流線型頭形、流線型車身、連接部位外風擋、車體底部除轉向架外全部包起等)能夠有效地改善大風環境下列車空氣動力性能，包括減小列車空氣阻力、控制車輛空氣動力升力、降低列車交會壓力波幅值。

(2) 合理設計側壁形狀，可以改善車輛橫向氣動性能。對于直壁側墻，在橫風與列車風耦合作用下，車輛側壁的迎風面近乎于自由滯止流，使壁面的流速下降而壓力升高，而背風面的一系列渦流分離產生強大的負壓，合成強大的壓差橫向力，使車輛空氣橫向力迅速增大。對于鼓壁側墻，即側面為無窮寬的流線型，這樣，在橫風環境下，可以減輕迎風面的氣流滯止影響，改變背風面分離渦流的流場結構，降低車輛空氣橫向力；同時，鼓壁側墻折角高度下移，可以減小傾覆力矩，提高列車橫向運行穩定性。

目前，我國在設計客、貨運列車外形時，均考慮了改善風環境下的車輛空氣動力性能。

4.3 設置擋風墻

擋風墻設置[28?31]通常考慮如下因素：

(1) 擋風墻形狀，擋風墻形狀有土堤式、加筋對拉直壁式、鋼筋L型、泄壓孔式、超薄型擋風墻等。擋風墻形狀的確定首先應考慮所設置的地段，如大橋上通常設置超薄型、泄壓孔式擋風墻，寬闊地帶一般設置造價較低的土堤式擋風墻等；擋風墻形狀的確定還需要考慮對列車橫向氣動性能的影響，如：直壁型擋風墻效果較好，L型擋風墻受力較好等。

(2) 擋風墻高度。若擋風墻高度過低，則強側風將直接吹向列車；若擋風墻高度過高，則將在列車和擋風墻之間形成強大的渦流，使車輛受到的空氣橫向力、升力及傾覆力矩劇增。因此，擋風墻過高或過低均會對列車產生較大的空氣橫向力、升力及傾覆力矩。

(3) 擋風墻與軌道間的距離。

(4) 擋風墻對電氣化鐵路的影響。若擋風墻高度設置不合理，當強側風吹過時，將在受電弓與網接觸處產生較大的渦流，使弓網受到影響。

(5) 擋風墻對鐵路復線的1線和2線上的列車氣動性能的影響。

(6) 擋風墻對不同車型(包括客車、各種貨車)氣動性能的影響。

(7) 地形地貌、線路狀況的影響。

我國在新疆地區鐵路沿線設置了各種形式擋風墻，圖2所示為新疆地區鐵路的幾種擋風墻形式。

4.4 建立鐵路大風監測預警與行車指揮系統

鐵路大風監測預警與行車指揮系統[32?41]需要滿足：從實時大風監測預警，到形成列車運行速度限制指令，并能實現及時與通過風區的列車進行信息交換，為列車安全通過風區以及大風環境下行車指揮調度提供有效決策。

我國目前已構建鐵路大風監測預警與行車指揮系統，包括：

(1) 建立鐵路沿線測風站轄域風信號空間序列預測模型；

(2) 建立鐵路沿線風信號短時超前預測模型(時間序列預測模型、小波?滾動時序大步長預測模型、小波?遺傳神經網絡小步長預測算法模型、小波?卡爾曼單步超高精度預測算法模型)；

(3) 開發長距離實時風速采集、傳輸、存儲技術；

(4) 開發列車(車型、編組、運行狀態)—大風(風力風向、測風站位置)—路況—地貌環境等多源信息融合與集成處理技術；

(5) 提出風區列車運行實時預警與指揮決策模型；

(6) 研發鐵路大風監測預警與行車指揮系統成套應用軟件；

圖2 新疆地區鐵路的幾種擋風墻形式Fig.2 Several kinds of break walls of railway in Xingjiang

(7) 構建鐵路大風監測預警與行車指揮系統診斷維護與可靠性運行保障體系。

5 結語

(1) 經過我國幾代科技人員數十年的不懈努力，建立了從數值模擬計算、風洞試驗、在線實車試驗到理論分析的風環境下鐵路行車的綜合研究方法，形成了理論—技術—工程—應用集成體系，取得了一系列研究成果，實現了我國鐵路運輸應對惡劣風災害能力的重大技術突破。

(2) 目前深入開展以下研究：鐵路沿線風沙流規律(包括風沙流分布特征、局部地形地貌效應)，風沙環境、風雪環境、風雨環境對行車安全的影響，機車客車玻璃破損防護技術(包括自身強化和線路防護措施)，風沙環境對電氣化鐵路行車安全的影響及強風地區電氣化鐵路風沙防護相關技術，防風沙明洞等。

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(編輯 陳燦華)

Research progress in railway safety under strong wind condition in China

TIAN Hong-qi1,2

(1. Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, Changsha 410075, China;2. School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

The ongoing research work and the further research plan on railway safety under strong wind condition in China were both described. The main contents are as follows: research method of railway safety under strong wind condition, including numerical calculation, wind tunnel test, online real vehicle experiments, theoretical analysis, etc;research on aerodynamic laws of trains under strong wind condition, such as aerodynamic drags of trains, air lift characteristics of trains, air lateral characteristics of trains, crossing pressure waves of trains, aerodynamic characteristics of trains under wind?vehicle?railway?local area coupled condition; research on critical running speeds of trains under strong wind condition, such as wind characteristics, wind aerodynamics, safe running speeds of trains under special conditions caused by mechanical power; research on measures of railway safety under strong wind condition, including making the plan of running speed limitations and stops of trains under the different combinations of wind speed?railway condition?train shape?train load condition, designing the optimizing shapes of trains, setting the break wall, and establishing the strong wind monitoring and warning system, etc.

train aerodynamics; strong wind condition; railway safety; research progress

2010?07?10；

2010?08?09

鐵道部科技開發計劃項目(2009G027)

田紅旗(1959?)，女，河南魯山人，教授，博士生導師，從事列車空氣動力學研究；電話：0731-82655390；E-mail: thq@mail.csu.edu.cn

U270.11

A

1672?7207(2010)06?2435?09